Yêu cầu kỹ thuật đối với nhiên liệu biogas sử dụng cho động cơ đốt trong

Yêu cầu kỹ thuật đối với nhiên liệu biogas sử dụng cho động cơ đốt trong LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của nền kinh tế thế giới, nhu cầu sử dụng nhiên liệu ngày càng tăng cao, môi trường sinh thái ngày càng bị ô nhiễm nặng nề, các nguồn năng lượng có nguồn gốc hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Do đó, việc nghiên cứu để phát triển các nguồn nhiên liệu thay thế có khả năng tái tạo được, trong đó có nhiên liệu khí sinh học (Biogas) đang rất được chú trọng trên toàn thế giới.Theo dự báo của các nhà khoa học nguồn năng lượng có nguồn gốc từ hóa thạch sẽ cạn kiệt trong vòng 3040 năm nữa, vì vậy nếu không tìm được những nguồn năng lượng mới thay thế, thế giới có thể lâm vào khủng hoảng năng lượng nghiêm trọng. Vì vậy vấn đề tìm năng lượng thay thế là vấn đề chính có tính cấp bách, rất thời sự, được sự quan tâm rất lớn của toàn nhân loại.Một số nghiên sử dụng khí biogas để chạy động cơ đốt trong nhưng lại chưa lọc tạp chất và không có bộ khống chế tự động tốc độ của động cơ nên dẫn đến hiện tượng động cơ bị ăn mòn và chất lượng điện phát ra không ổn định.GS.TSKH Bùi Văn Ga đã chế tạo thành công bộ phụ kiện cho phép chuyển đổi nhiên liệu cho động cơ từ xăng hoặc diesel sang chạy biogas với hệ thống lọc biogas giúp lọc khí H2S và CO2 giúp khắc phục những nhược điểm trên. Với kết quả của công trình, các động cơ cở nhỏ như máy bơm nước, máy xay xát, máy phát điện , máy lạnh để bảo quản sản phẩm nông nghiệp… có thể thay nhiên liệu xăng bằng nguồn khí biogas đã được ứng dụng rộng rãi trong cả nước, đó là bộ phụ kiện GATEC19, GATEC20, GATEC21.Chất lượng của khí biogas ở từng vùng sẽ khác nhau, muốn sử dụng biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong thì cần phải xử lý trước để phát huy hiệu quả sử dụng biogas làm nhiên liệu không ảnh hưởng đến tuoir thọ động cơ cũng như vấn đề khí thải gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên việc ứng dụng biogas để chạy các phương tiện cơ giới còn chưa được ứng dụng vào thực tiễn bới còn một số vấn đề liên quan như vấn đề loại bỏ tạp chất , vấn đề lưu trữ và vận chuyển khí vì CH4 có áp lực rất lớn khi nén hóa lỏng ở áp suất cao, đồng thời cần xác định một số tính chất của biogas để sử dụng cho các phương tiện cơ giới. Do vậy em chọn đề tài “yêu cầu kỹ thuật đối với nhiên liệu biogas sử dụng cho động cơ đốt trong”

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, cho phép chúng em được gởi lời cảm ơn đến những Thầy Côgiáo trong trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng nói chung, và những Thầy Cô giáotrong Khoa Hóa, trong bộ môn Công nghệ Lọc hóa dầu nói riêng Cảm ơn Thầy Cô

đã tận tình dạy dỗ và chỉ bảo chúng em trong suốt 5 năm học vừa qua

Trong thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp “yêu cầu kỹ thuật đối với nhiên liệu biogas sử dụng cho động cơ đốt trong”, em đã được nhận thêm rất nhiều kiến

thức bổ ích về nhiên liệu khí sinh học (biogas), cùng với những kiến thức mà cácthầy cô giáo trong ngành Công nghệ Hóa học – Dầu và Khí đã truyền đạt Đó lànhững kiến thức vô cùng quý báu, là hành trang vững chắc giúp chúng em trongcông việc sau này Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình củaGS.TSKH Bùi Văn Ga, TS Nguyễn Thị Thanh Xuân, cùng rất nhiều đóng góp ýkiến của các thầy cô trong bộ môn, xin chân thành cảm ơn các anh ở Trung tâm ứngdụng năng lượng mới - Đại học Đà Nẵng, cùng tất cả bạn bè trong lớp đã giúp đỡchúng em hoàn thành đề tài này

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH ẢNH iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU VÀ MÔI TRƯỜNG 1

1.1 Hạn chế của nhiên liệu hóa thạch: 1

1.2 Tổng quan về khí biogas: 2

1.2.1 Khái niệm khí biogas: 2

1.2.1 Quá trình hình thành khí biogas:[3, trang 3] 2

1.2.3 Thành phần khí biogas:[19] 3

1.2.4 Tính chất của biogas:[19] 6

1.3 Yêu cầu chất lượng của biogas để làm nhiên liệu: 6

1.3 Nguồn gốc hình thành khí biogas: 7

1.3.1 Nguồn gốc động vật: 7

1.3.2 Nguồn gốc thực vật: 7

1.4 Lợi ích của việc sản xuất khí sinh học (biogas):[14] 8

1.4.1 Giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đắt đỏ, đang cạn kiệt: 8

1.4.2 Giải quyết các vấn đề biến đổi khí hậu: 8

1.4.3 Tăng cường an ninh năng lượng quốc gia: 8

1.4.4 Lợi ích về kinh tế: 8

1.4.5 Lợi ích về xã hội: 9

1.5 Ứng dụng của biogas: 9

1.5.1 Thắp sáng: 9

1.5.2 Đun nấu: 10

1.5.3 Bảo quản hoa quả, ngũ cốc: 11

1.5.4 Bã thải từ bể sinh khí biogas: 11

1.5.5 Làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong: 11

CHƯƠNG 2: SẢN XUẤT BIOGAS 13

2.1 Loại thiết bị nắp nổi: 13

2.1.1 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động: 13

2.1.2 Ưu và nhược điểm chung: 14

a Ưu điểm: 14

b Nhược điểm: 14

2.2 Loại thiết bị nắp cố định: 14

2.2.1 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động: 14

2.2.2 Ưu nhược điểm chung: 15

a Ưu điểm: 15

b Nhược điểm: 15

2.3 Loại thiết bị kiểu túi chất dẻo: 16

2.3.1 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động: 16

2.3.2 Các loại túi chất dẻo thường dùng: 16

a Loại nilon polyethylene (PE): 16

b Loại phủ bạt nhựa HDPE (High Density Polyethylene): 17

2.4 Loại thiết bị biogas cải tiến: 17

2.4.1 Dung tích bể và dung tích khí: 17

2.4.2 Phương thức chế tạo: 18

2.4.3 Vật liệu chế tạo: 18

a Ưu điểm: 18

b Nhược điểm: 19

2.5 Nhận xét chung về các loại thiết bị KSH: 19

CHƯƠNG 3 : TÁC HẠI CỦA CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 20

3.1 Quá trình cháy trong động cơ: 20

3.2 Ô nhiễm không khí:[40] 22

3.3 Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ: 23

3.3.1 Đối với sức khỏe con người: 23

3.3.2 Đối với môi trường: 24

a Thay đổi nhiệt độ khí quyển: 24

b Ảnh hưởng đến sinh thái: 25

CHƯƠNG 4: TÍNH CHẤT KHÍ BIOGAS SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 27

4.1 Nhiên liệu và các ràng buộc: 27

4.2 Tính chất cơ bản:[26, trang 17-18] 27

4.3 Ưu điểm của Biogas: 28

4.4 Tiềm năng lợi ích của Biogas:[26, trang 20] 29

4.5 Tính chất khí biogas: 29

4.5.1 Tính chất nhiên liệu sử dụng cho động cơ đốt trong : 29

a Động cơ xăng : 29

b Động cơ Diesel : 30

4.5.2 Giới thiệu về phần mềm Hysys : 32

4.5.3 Sử dụng phần mềm Aspen Hysys 7.1 tính toán một số tính chất của Biogas : 33

4.6 Phương trình phản ứng cháy của biogas: 45

4.6.1 Thành phần của khí methane trong khí sinh học: 45

4.6.2 Phần của không khí trong hỗn hợp vào: 46

4.7 Phương trình phản ứng: 46

4.10 Đánh lửa và lan truyền màng lửa trong buồng cháy động cơ sử dụng biogas: 47

4.10.1 Năng lượng tia lửa điện : 47

4.10.2 Tốc độ lan truyền màng lửa của hỗn hợp : 47

4.11 Thành phần và nhiệt độ của sản phẩm cháy : 48

4.12 Khảo sát một số tính chất nhiên liệu biogas sử dụng phần mềm Fluent[7] 48

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1: Sơ đồ các giai đoạn hình thành khí biogas 2

Hình 1-2: Đèn biogas 10

Hình 1-3: Bếp Biogas 10

Hình 1-4: Máy phát điện 11

Hình 2-1: Cấu tạo thiết bị khí sinh học nắp nổi 13

Hình 2-2: Cấu tạo thiết bị khí sinh học nắp cố định 15

Hình 2-3: Cấu tạo thiết bị khí sinh học kiểu túi chất dẻo 16

Hình 2-4: Thiết bị khí sinh học cải tiến 18

Hình 3-1: Biến thiên nồng độ ô nhiễm các chất theo hệ số dư lượng không khí 21

Hình 3-2: Bức xạ mặt trời Hình 3-3: Bức xạ vỏ trái đất 25

Hình 3-4: Hiệu ứng nhà kính 26

Hình 4-1: Tốc độ lan truyền màng cháy của hỗn hợp 48

Hình 4-2: Kích thước buồng cháy mô phỏng 49

Hình 4-3 : diễn biến quá trình đánh lửa biogas-không khí (biogas chiếm 70% CH4, 30% CO2 về khối lượng, Ti=800K, Pi=10bar, Tig=1ms, Eig= 230J) 49

Hình 4-4 : Ảnh hưởng của nhiên liệu đến dạng đường cong cháy 50

(Ti=800K,Pi=14bar,tig=1ms,Eig=500J) 50

Hình 4-5: Ảnh hưởng của thành phần biogas đến dạng đường cong cháy của hỗn hợp (Ti=800K, Pi=10bar, tig=1ms, Eig=230J) 50

Hình 4-6: Ảnh hưởng của nhiệt độ trước khi đánh lửa đến đường cong cháy của hỗn hợp biogas- không khí (biogas chứa 70%methane, 30% carbonic theo khối lượng, Pi=11bar, tig=1ms,Eig=230J) 51

Hình 4-7: Ảnh hưởng của áp suất trước khi đánh lửa đến dạng đường cong cháy của hỗn hợp biogas-không khí (Biogas chứa 70% methane, 30% carbonic theo khối lượng, ti=850K, tig=1ms,Eig=200J) 52

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: Thành phần của biogas 3

Bảng 1-2: Một số tính chất vật lý của metan (CH4) 4

Bảng 1-3: Một số tính chất vật lý của Cacbon dioxide (CO2) 5

Bảng 1-4: Một số tính chất vật lý của Hydro sulfua (H2S) 6

Bảng 1-5: Một số ứng dụng của biogas và yêu cầu xử lý[24] 6

Bảng 1-6: Đặc tính và sản lượng khí thu được của một số nguyên liệu thường gặp 7

Bảng 1-7: So sánh đèn khí sinh học và đèn dầu hỏa 10

Bảng 1-8: So sánh nhiệt trị của một số chất đốt và lượng chất đốt tương đương với khí biogas khi dùng để đun nấu 10

Bảng 1-9: Lượng khí sinh học chạy động cơ đốt trong 12

Bảng 2-1: Yêu cầu của bể biogas cải tiến 17

Bảng 3-1: Sự gia tăng của các chất ô nhiễm trong khí quyển 22

Bảng 3-2: Tỉ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Nhật (tính theo %) 23

Bảng 3-3: Tỉ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Mĩ (tính theo %) 23

Bảng 4.1: Tính chất một số nhiên liệu khí 32

Bảng 4-2: So sánh một số tính chất của mẫu 1 trước và sau khi xử lý tách CO2: 36

Bảng 4-3: So sánh một số tính chất của biogas ở mẫu 2 trước và sau khi xử lý tách CO2 40

Bảng 4-4: So sánh một số tính chất của khí biogas ở mẫu 3 trước nén và sau khi xử lý tách CO2 44

Bảng 4-5: so sánh một số tính chất diesel, xăng, lpg và biogas 44

Bảng 4-6: So sánh đặc tính của methane và xăng: 45

Bảng 4-7 : Chuyển đổi thành phần các mẫu khí 46

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của nền kinh tế thế giới, nhu cầu

sử dụng nhiên liệu ngày càng tăng cao, môi trường sinh thái ngày càng bị ô nhiễmnặng nề, các nguồn năng lượng có nguồn gốc hóa thạch ngày càng cạn kiệt Do đó,việc nghiên cứu để phát triển các nguồn nhiên liệu thay thế có khả năng tái tạođược, trong đó có nhiên liệu khí sinh học (Biogas) đang rất được chú trọng trên toànthế giới

Theo dự báo của các nhà khoa học nguồn năng lượng có nguồn gốc từ hóa thạch

sẽ cạn kiệt trong vòng 30-40 năm nữa, vì vậy nếu không tìm được những nguồnnăng lượng mới thay thế, thế giới có thể lâm vào khủng hoảng năng lượng nghiêmtrọng Vì vậy vấn đề tìm năng lượng thay thế là vấn đề chính có tính cấp bách, rấtthời sự, được sự quan tâm rất lớn của toàn nhân loại

Một số nghiên sử dụng khí biogas để chạy động cơ đốt trong nhưng lại chưa lọctạp chất và không có bộ khống chế tự động tốc độ của động cơ nên dẫn đến hiệntượng động cơ bị ăn mòn và chất lượng điện phát ra không ổn định

GS.TSKH Bùi Văn Ga đã chế tạo thành công bộ phụ kiện cho phép chuyển đổinhiên liệu cho động cơ từ xăng hoặc diesel sang chạy biogas với hệ thống lọcbiogas giúp lọc khí H2S và CO2 giúp khắc phục những nhược điểm trên Với kếtquả của công trình, các động cơ cở nhỏ như máy bơm nước, máy xay xát, máy phátđiện , máy lạnh để bảo quản sản phẩm nông nghiệp… có thể thay nhiên liệu xăngbằng nguồn khí biogas đã được ứng dụng rộng rãi trong cả nước, đó là bộ phụ kiệnGATEC-19, GATEC-20, GATEC-21

Chất lượng của khí biogas ở từng vùng sẽ khác nhau, muốn sử dụng biogas làmnhiên liệu cho động cơ đốt trong thì cần phải xử lý trước để phát huy hiệu quả sửdụng biogas làm nhiên liệu không ảnh hưởng đến tuoir thọ động cơ cũng như vấn

đề khí thải gây ô nhiễm môi trường

Tuy nhiên việc ứng dụng biogas để chạy các phương tiện cơ giới còn chưađược ứng dụng vào thực tiễn bới còn một số vấn đề liên quan như vấn đề loại bỏ tạpchất , vấn đề lưu trữ và vận chuyển khí vì CH4 có áp lực rất lớn khi nén hóa lỏng ở

áp suất cao, đồng thời cần xác định một số tính chất của biogas để sử dụng cho các

phương tiện cơ giới Do vậy em chọn đề tài “yêu cầu kỹ thuật đối với nhiên liệu biogas sử dụng cho động cơ đốt trong”

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU VÀ MÔI TRƯỜNG 1.1 Hạn chế của nhiên liệu hóa thạch:

Sự khám phá ra nhiên liệu hóa thạch đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trong lịch

sử phát triển của xã hội loài người Nhiên liệu hóa thạch đã đóng góp trong tất cảcác lĩnh vực đời sống nói chung và các ngành năng lượng nói riêng Tuy nhiên, bêncạnh những mặt ưu việt, chúng ta không thể không nói đến những mặt hạn chế củanhiên liệu hóa thạch:

- Nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt: Trước tình trạng khai thác và sử dụngnhư hiện nay thì trong tương lai không xa nguồn nhiên liệu hóa thạch sẽ bị cạn kiệt.Theo thống kê của các cơ quan dự báo năng lượng quốc tế, trữ lượng dầu mỏ cònkhai thác được trong vòng khoảng 36 năm, khí thiên nhiên còn khoảng 60 năm, vàthan đá còn khai thác được trong vòng khoảng 120 năm

- Ô nhiễm môi trường do khí thải của quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch:Đốt nhiên liệu hóa thạch tạo ra các chất ô nhiễm không khí như: SOx, NOx, CO,CO2, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, kim loại nặng… Các Oxyt khi kết hợp với hơinước trong môi trường sẽ tạo thành mưa axit ảnh hưởng đến các vùng tự nhiên vàhủy hoại môi trường Người ta ước tính khí thải từ các hoạt động có liên quan đếncác sản phẩm dầu mỏ và nhiên liệu hóa thạch chiếm khoảng 70% tổng lượng khíthải trên toàn thế giới Khí thải là nguyên nhân trực tiếp gây ra những biến đổi khíhậu, hiệu ứng nhà kính và hàng loạt các vấn đề về môi trường Theo dự đoán của tổchức năng lượng thế giới: Lượng CO2 tăng 15 % trong 10 năm trở lại đây, theo dựkiến sẽ tăng 40 % trong năm 2020 Đứng trước thực tế đó hội nghị Kyoto (NhậtBản) được tổ chức, các nước công nghiệp phát triển (trừ Mỹ) đã kí vào bảng camkết cắt giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính (khí CO2) Theo các công ướcnày các quốc gia cần áp dụng các giải pháp rút giảm mức độ phát thải CO2 bằngcách nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, sử dụng các nguồn năng lượng sạch,

sử dụng năng lượng tái sinh Đồng thời những hội thảo về môi trường thường xuyênđược tổ chức và đề xuất những biện pháp hạn chế lượng khí thải như: tìm nguồnnăng lượng mới thay thế, sử dụng nhiên liệu sạch hơn với môi trường

- Trong những năm gần đây, giá dầu mỏ lên xuống thất thường, giá nhiên liệuhóa thạch cao là gánh nặng của nền kinh tế thế giới đặc biệt cho các nước đang pháttriển Trong những giai đoạn giá dầu mỏ cao trên thị trường thế giới, các chính phủ

ở nhiều nước đang phát triển cảm thấy cần phải bù giá cho nhiên liệu hoá thạch đểgiữ cho nền kinh tế của mình vận hành và giảm chi phí đời sống cho dân chúng.Đồng thời đẩy mạnh nghiên cứu tạo ra loại nhiên liệu mới có giá cả rẻ hơn

Trước những mặt hạn chế của nhiên liệu hóa thạch, con người đang thúc đẩy tìmkiếm nguồn nhiên liệu thay thế đó là các nguồn năng lượng tái sinh và thân thiệnvới môi trường Một trong những nguồn nhiên liệu thay thế đó là khí sinh học(biogas), theo tiên đoán của nhà Bác học Pháp Louis Pasteurs (1884): "Biogas sẽ lànguồn nhiên liệu thay thế than đá trong tương lai".

1.2 Tổng quan về khí biogas:

1.2.1 Khái niệm khí biogas:

Biogas hay khí sinh học là sản phẩm khí sinh ra từ quá trình phân hủy kỵ khí cáchợp chất hữu cơ Thành phần chủ yếu của biogas là khí metan (CH4) và khícacbonic (CO2) Nhiệt trị thấp của CH4 là 37,71.103 kJ/m3, do đó có thể sử dụngbiogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong

1.2.1 Quá trình hình thành khí biogas:[3, trang 3]

Biogas được sinh ra từ sự phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường yếm khí(kỵ khí) Quá trình phân hủy kỵ khí hay yếm khí chia làm 3 giai đoạn chính:

Hình 1-1: Sơ đồ các giai đoạn hình thành khí biogas

 Giai đoạn 1: Thủy phân và lên men

Dưới tác dụng của men hydroligo do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ phức tạp nhưchất béo, hydrocacbon (chủ yếu là xenluloza và tinh bột) Protein bị phân hủy và biếnthành các chất hữu cơ đơn giản dễ tan trong nước như đường đơn, peptid, glyxerin, axitbéo, axit amin

Tham gia quá trình này là nhóm xạ khuẩn Streptomyces sp, nấm mốc Trichoderma

sp và vi khuẩn Bacillus sp Những vi sinh vật trên có tác dụng phân hủy nhanh cáchợp chất hữu cơ protein và cellulose, gây mất mùi hôi

Chất hữu cơ phức tạp(Hydrocacbon, protein, lipid)

Chất hữu cơ đơn giản(Đường, peptid, axit amin)

Các axit(Propionic, butyric, axetic, lactic)

CH4 và CO2

 Giai đoạn 2: Axetic hoá

Nhờ vào vi khuẩn Acetogenic Bacteria (vi khuẩn tổng hợp axetat) các hydratescacbon sẽ biến thành các axit hữu cơ có phân tử lượng nhỏ hơn (axit axetic, axitpropionic, axit butylic, các anđehyalcol và một số ít các khí CO2, H2, NH3 Nhucầu oxy cho toàn bộ quá trình gần như bằng 0 Do sinh nhiều axit nên độ pH củamôi trường có thể giảm mạnh

Nhóm vi sinh vật tạo axit bao gồm các loài: Clostridium sp, Peptococcusanaerobus, Bifidobacterium spp, Desulphovibrio spp, Corynebacterium spp,Lactobacillus, Actonomyces, Staphylococcus và Escherichia coli…

 Giai đoạn 3: Metan hoá

Là giai đọan quan trọng nhất của quá trình, dưới tác dụng của vi khuẩn sinhmetan, các axit hữu cơ và các hợp chất đơn giản biến thành các khí CO2, H2, NH3,H2S, CH4

Sự tạo thành CH4 có thể tạo thành theo 2 cách:

- Dưới tác dụng của vi khuẩn, một phần CO2 sẽ bị khử thành CH4, trong đóchất chuyển điện tử là hydro và rượu

- Axit hữu cơ chuyển thành CH4 theo phản ứng:

CH3-COOH CH4 + CO2

Các axit hữu cơ phân tử lượng cao sẽ biến thành CH4 theo phản ứng:

R-COOH  R1COOH  CH3COOH  CH4 + CO2

Vi sinh vật tham gia vào quá trình này là nhóm vi khuẩn sinh metan như:Methanobacterium, Methanobacillus, Methanococcus, Methanosarcina…

Sự phân chia quá trình lên men kỵ khí sinh metan thành 3 giai đoạn trên thực ra

là lý thuyết còn trên thực tế toàn bộ quá trình của 3 giai đoạn hoạt động cùng mộtlúc và đồng bộ với nhau, sản phẩm sinh ra ở giai đoạn 1 sẽ sử dụng hết ở giai đoạn

2 và sản phẩm ở giai đoạn 2 sử dụng tiếp để sinh khí sinh vật

- Metan không độc Nguy hiểm đối với sức khỏe là nó có thể gây bỏng nhiệt.

Nó dễ cháy và có thể tác dụng với không khí tạo ra sản phẩm dễ cháy nổ.Metan là một chất gây ngạt và có thể thay thế oxy trong điều kiện bìnhthường Ngạt hơi có thể xảy ra nếu mật độ oxy hạ xuống dưới 18%

- Metan là thành phần cháy chủ yếu của khí sinh học Hàm lượng metantrong khí sinh học phụ thuộc vào loại nguyên liệu phân hủy và sự diễn biếncủa các quá trình sinh học

- Metan là một nhiên liệu quan trọng So với than đá, đốt cháy metan sinh ra

ít CO2 trên mỗi đơn vị nhiệt giải phóng Ở nhiều nơi, metan được dẫn tớitừng nhà nhằm mục đích sưởi ấm và nấu ăn Nó thường được biết tới vớicái tên khí thiên nhiên

- Metan cháy thành ngọn lửa màu lơ nhạt, tỏa nhiều nhiệt:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O + 783 kJ/mol

Bảng 1-2: Một số tính chất vật lý của metan (CH4)

Khối lượng phân tử (g/mol) 16,04

Khối lượng riêng (kg/m3) 0,717 (gas)

Điểm ba ở áp suất 0,117 bar (oC) -182,3

Nhiệt độ tự bốc cháy (oC) 482 – 632

Nhiệt độ cháy tối đa (oC) 2148

Khả năng hòa tan trong nước ở 17oC 0,035

Tỷ lệ cháy hoàn toàn trong không khí 0,0947 thể tích

Bề ngoài Khí trong suốt, lửa cháy màu lơ

nhạt

 Khí Cacbonic (CO2):[36]

- Là chất khí không màu, không mùi, nặng hơn không khí khoảng 1,5 lần Ởnhiệt độ dưới -78 °C, cacbon dioxide ngưng tụ lại thành các tinh thể màutrắng gọi là băng khô

- CO2 lỏng chỉ được tạo ra dưới áp suất trên 5,1 bar, ở điều kiện áp suất khíquyển, nó chuyển trực tiếp từ các pha khí sang rắn hay ngược lại theo mộtquá trình gọi là thăng hoa

- Nó có mặt trong khí quyển Trái Đất với nồng độ thấp và tác động như mộtkhí gây hiệu ứng nhà kính

- Sự hiện diện của khí CO2 trong biogas làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu, vìthế muốn biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong cần phải loại bỏ khíCO2

Bảng 1-3: Một số tính chất vật lý của Cacbon dioxide (CO2)

Khả năng hòa tan trong nước ở 25 oC, 100 kPa

- Nặng hơn không khí, có mùi trứng thối khiến cho khí sinh học cũng trở nênkhó chịu, giúp ta dễ dàng nhận thấy sự có mặt của nó

- Khí H2S gây ăn mòn các chi tiết động cơ, nếu trong nhiên liệu biogas chứaH2S thì trong thành phần khí thải sẽ có mặt của SOx cũng là một khí rấtđộc, gây mưa axit ảnh hưởng đến môi trường sinh thái và sức khỏe con

người Vì vậy muốn biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong cần phảiloại bỏ khí H2S.

Bảng 1-4: Một số tính chất vật lý của Hydro sulfua (H2S)

Giới hạn cho phép tiếp xúc trong 8h (ppm) 10

Giới hạn cho phép tiếp xúc trong 15 phút (ppm) 15

1.2.4 Tính chất của biogas:[19]

- Không trực tiếp bắt nguồn từ dầu mỏ như gas, nhưng xét trên phương diện cổsinh học, biogas có “họ hàng” với dầu mỏ Tính chất cháy của biogas tương tựnhư khí hoá lỏng hay khí nén

- Biogas cháy cho ngọn lửa lơ nhạt và không có khói Nhiệt trị của biogas phụthuộc vào hàm lượng metan (CH4) Nhiệt trị của biogas khoảng 4 –7,5kWh/m3

- Khối lượng riêng của biogas là 1,2 kg/m3 Nhiệt độ bắt cháy là 700oC

- Giới hạn nổ: 6 – 25% khi trộn lẫn với không khí Lượng không khí cần thiết đểcháy hoàn toàn nằm trong giới hạn 5 – 7 lần thể tích khí sinh học

1.3 Yêu cầu chất lượng của biogas để làm nhiên liệu:

Sau khi được xử lý biogas có thể sử dụng cho nhiều mục đích, yêu cầu về chấtlượng khí sử dụng cho từng mục đích cũng khác nhau:

Bảng 1-5: Một số ứng dụng của biogas và yêu cầu xử lý[24]

Ứng dụng của

Đun nấu (nồi

hơi)

H2S <1000 ppm, áp suất: 0,8 – 2,5 kPa(Đối với bếp nấu: H2S <10 ppm)Động cơ đốt

trong

H2S <100 ppm, áp suất 0,8 – 2,5 kPa(Động cơ xăng dễ bị tổn hại đối với H2S hơn động cơdiesel)

Microturbines H2S đạt 70 ppm, áp suất 520 kPa

Pin nhiên liệu

PEM: CO <10 ppm, loại bỏ H2SPAFC: H2S <20 ppm, CO < 10 ppmMCFC: H2S <10 ppm đối với nhiên liệuSOFC: H2S <1 ppm, halogens <1 ppmĐộng cơ Stirling H2S < 1000 ppm, áp suất: 1– 14 kPa

Nâng cấp thành

khí thiên nhiên

H2S < 4 ppm, CH4 > 95%, CO2 < 2%V, H2O <10-4kg/mm3, loại bỏ cặn, siloxanes, áp suất > 3000 kPa

Trong động cơ đốt trong, H2S gây ăn mòn thiết bị, sản phẩm cháy của nó gây ônhiễm môi trường vì thế để biogas làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong thì yêu cầu

xử lý H2S đòi hỏi rất nghiêm ngặt

1.3 Nguồn gốc hình thành khí biogas:

1.3.1 Nguồn gốc động vật:

Thuộc loại này là các loại phân như phân gia súc, gia cầm, phân bắc…các bộphận cơ thể của động vật như xác động vật chết, rác và nước thải các lò mổ, cơ sởchế biến thủy, hải sản…

Đặc điểm: Các loại phân đã được xử lý trong bộ máy tiêu hóa của động vật nên

dễ phân giải và nhanh chóng tạo khí sinh học Tuy nhiên thời gian phân hủy của cácloại phân không dài (khoảng từ 2-3 tháng) và tổng sản lượng khí thu được từ 1 kgphân cũng không lớn

1.3.2 Nguồn gốc thực vật:

Các nguyên liệu thực vật là những lá cây, phụ phẩm cây trồng (rơm, rạ, thân lángô, khoai, đậu…), rác sinh hoạt (rau, quả, lương thực bỏ đi…) và các loại cây xanhhoang dại (rong, bèo…)

Đặc điểm: Thời gian phân giải của nguyên liệu thực vật thường dài hơn so vớicác loại phân (có thể kéo dài hàng năm)

Bảng 1-6: Đặc tính và sản lượng khí thu được của một số nguyên liệu thường gặp

Loại nguyên liệu Năng suất metan (lít/kg) Tỷ lệ CH4

1.4.1 Giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đắt đỏ, đang cạn kiệt:

Nguồn nguyên liệu sản xuất khí sinh học phong phú và có khả năng cung cấpliên tục, nó có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch sử dụng trong các phương tiện giaothông và các thiết bị năng lượng, triển vọng của loại nhiên liệu này là sáng sủa, đây

là loại nhiên liệu bền vững thay cho các nguồn năng lượng hóa thạch đắt đỏ đang bịcạn kiệt

1.4.2 Giải quyết các vấn đề biến đổi khí hậu:

Giảm thiểu ô nhiễm và khí CO2, CH4 gây hiệu ứng nhà kính Những nghiêncứu gần đây cho thấy việc phát xả khí nhà kính (chủ yếu là CO2 và metan CH4) lànguyên nhân hàng đầu của biến đổi khí hậu, đặc biệt kể từ năm 1950 khi thế giớiđẩy nhanh tốc độ công nghiệp hóa và tiêu dùng, liên quan với điều đó là sự tăngcường sử dụng nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, sản xuất xi măng, phárừng và gia tăng chăn nuôi đại gia súc (phát xả nhiều phân gia súc tạo ra nguồn tăngmetan), khai hoang các vùng đất ngập nước chứa than bùn… PGS.TS Trần Thục -Viện khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường cho biết, sự biến đổi khí hậu đãảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ đời sống của nhiều vùng lãnh thổ trên Trái đất.Thiên tai đã làm 3 triệu người chết, 200 triệu người bị ảnh hưởng, thiệt hại ước tínhhàng năm khoảng 40 tỷ USD Dự kiến trong vòng 50 năm tới thiên tai sẽ tăng lên 4lần và 2 tỷ người trên hành tinh này sẽ chịu ảnh hưởng Nguyên nhân chủ yếu dẫnđến sự ấm lên của Trái đất do sự phát thải của khí hiệu ứng nhà kính gây ra

Người ta ước tính khí thải từ các hoạt động có liên quan đến các sản phẩm dầu

mỏ và nhiên liệu hóa thạch chiếm khoảng 70% tổng lượng khí thải trên toàn thếgiới Khí thải là nguyên nhân trực tiếp gây ra những biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhàkính và hàng loạt các vấn đề về môi trường Nhiều nỗ lực đã và đang được thựchiện nhằm tìm kiếm những nguồn năng lượng thay thế, một trong những nguồnnăng lượng mới đang được quan tâm hiện nay là khí sinh học Ðây là nguồn nănglượng không cạn kiệt (nguồn năng lượng tái sinh) và ít gây ô nhiễm môi trường

1.4.3 Tăng cường an ninh năng lượng quốc gia:

Sự phụ thuộc vào dầu nhập khẩu có thể không những làm suy kiệt dự trữ ngoại

tệ của quốc gia, mà còn tạo ra sự mất ổn định về an ninh năng lượng của quốc gia

đó Từ khi nhiên liệu sinh học, trong đó có khí sinh học được sản xuất từ các nguồnnguyên liệu bản địa của nhiều nước châu Á, loại nhiên liệu này có vai trò là nhiênliệu thay thế cho các nhiên liệu hóa thạch có thể giảm sự phụ thuộc nhập khẩu dầu

và tăng cường an ninh năng lượng quốc gia

1.4.4 Lợi ích về kinh tế:

Khí sinh học ngày càng phát triển sẽ giúp cho nhu cầu sử dụng năng lượng trongnước ổn định hơn và lần lần thay thế một số lượng không nhỏ các loại năng lượnghoá thạch đang dùng Kỹ thuật sản xuất không phức tạp do đó có thể trãi rộng khắpnông thôn Đặc biệt nông dân có thể dùng nguồn khí sinh học trong phạm vi giađình để có được độc lập về khí đốt và phó phẩm của việc chuyển đổi phân chuồngthành khí sẽ là một nguồn phân bón hữu cơ rất thích hợp trong việc trồng tĩa.

Việc sản xuất khí biogas giúp tiết kiệm được chi phí trong gia đình, tạo công ănviệc làm cho người nông dân, thúc đẩy phát triển kinh tế trang trại, giúp người nôngdân tăng thu nhập Ở mỗi gia đình ở nông thôn, sử dụng biogas có thể tiết kiệm tiềnđiện, chất đốt, làm giảm đáng kể giá thành chăn nuôi (khoảng 7-10%) Ngoài ra,chất thải từ công trình biogas gồm nước thải lỏng và phụ phẩm đặc (bã thải) lànhững sản phẩm có giá trị được sử dụng vào nhiều mục đích: phân bón, nuôi phânbón, nuôi cá, nuôi giun Sau khi được lấy ra từ hầm, túi ủ, chất thải này hầu nhưkhông còn các loại vi sinh vật gây bệnh như trước khi đưa vào bể ủ Kết quả nghiêncứu cho thấy, dùng phụ phẩm lỏng phun trên lá giúp tăng năng suất cây trồngkhoảng 10% so với bón trực tiếp vào đất Ngoài ra, bón bã thải kết hợp với phân vô

cơ sẽ làm tăng độ hòa tan và hấp thụ phân bón hóa học của đất, đồng thời hạn chế

sự suy giảm chất dinh dưỡng giúp cây trồng tăng trưởng tốt

Hơn nữa, ở các vùng sâu vùng xa việc cung cấp điện đến tận nơi rất khó khăn,điện áp yếu, giá điện cao thì máy phát điện sử dụng biogas làm nhiên liệu mang lạinhiều hiệu quả thiết thực

1.4.5 Lợi ích về xã hội:

- Giảm thời gian và chi phí vận chuyển cũng như giảm nhẹ lao động cho phụ nữ

và trẻ em

- Tận dụng tối đa nguồn chất thải gây ô nhiễm môi trường

- Giảm thiểu mùi hôi tác động đến môi trường Từ đó giảm thiểu mầm bệnh chongười và gia súc

Hình 1-2: Đèn biogas Bảng 1-7: So sánh đèn khí sinh học và đèn dầu hỏa

Loại đèn Suất tiêu thụ (lít/giờ)

Bảng 1-8: So sánh nhiệt trị của một số chất đốt và lượng chất đốt tương đương với

khí biogas khi dùng để đun nấu

Chất đốt Nhiệt trị

(kcal) Loại bếp

Hiệu suất(%)

Lượngtương đương Đơn vị

Khí hóa lỏng 10.900 Bếp ga 60 0,48 kg

1.5.3 Bảo quản hoa quả, ngũ cốc:

Biogas có thể dùng để bảo quản các loại hoa quả Người ta dùng khí sinh học đểxông vào các kho bảo quản lúa hoặc cam để trị sâu mà vẫn giữ được chất lượngquả, cũng như không bị nhiễm độc ảnh hưởng tới sức khỏe của người sử dụng ỞTrung Quốc, người ta dùng khí sinh học để bảo quản cam trong vòng 150 ngày vớihiệu suất bảo quản là 91%, trọng lượng quả giảm 5-7%, các chỉ tiêu về đường, axitđều vượt so với phương pháp bảo quản thông thường

1.5.4 Bã thải từ bể sinh khí biogas:

- Các chất hữu cơ như phân động vật, các loại cây xanh, sau khi phân hủy để sảnxuất biogas lại trở thành một loại phân hữu cơ giàu dinh dưỡng Bã thải bao gồmphần lỏng và phần đặc khi sử dụng để bón cây thì tăng năng suất cây trồng, hạn chếsâu bệnh, nâng cao độ phì của đất

- Bã thải còn được dùng để cung cấp thức ăn bổ sung cho chăn nuôi thủy sản,nuôi giun, trồng nấm mang lại nhiều hiệu quả cho người dân

1.5.5 Làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong:

Hình 1-4: Máy phát điện

Các loại động cơ đốt trong dùng xăng hoặc dầu có thể cải tạo để dùng biogasthay thế, hoặc có thể vẫn dùng xăng dầu như cũ Người ta có thể dùng biogas đểphát điện, chạy máy bơm nước, chạy ô tô, máy kéo Sử dụng biogas làm nhiên liệu

sẽ giải quyết được sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt,bảo vệ môi trường sinh thái.

Bảng 1-9: Lượng khí sinh học chạy động cơ đốt trong

Mục đích sử dụng Lượng khí tiêu thụ

Chạy động cơ xăng 0,4 – 0,5 m3/mã lực

Chạy động cơ diesel 0,45 m3/mã lực

CHƯƠNG 2: SẢN XUẤT BIOGAS

Hiện nay có rất nhiều loại thiết bị khí sinh học căn cứ theo cách thu tích khí,các thiết bị khí sinh học đơn giản được xếp thành 3 loại:

- Thiết bị có bộ phận tích khí kết hợp với bể phân huỷ

- Thiết bi có nắp chứa khí nổi

- Bể điều áp (riêng ở loại nắp cố định)

2.1 Loại thiết bị nắp nổi:

2.1.1 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động:

Hình 2-1: Cấu tạo thiết bị khí sinh học nắp nổi

Loại này có nguồn gốc từ Ấn Độ, do tổ chức KVIC (Khadi and VillageIndustnes Commision, Ủy ban Công nghiệp Nông thôn và Dệt may) phát triển Bộphận chứa khí là một nắp có dạng một cái thùng, được úp trực tiếp vào dịch phânhuỷ Khí sinh ra ở bể phân huỷ được thu giữ ở nắp và làm cho nắp nổi lên, khí đượctích lại càng nhiều thì nắp càng nổi cao Trọng lượng của nắp tạo ra áp suất nén vàokhí, khi lấy khí sử dụng, nắp sẽ chìm dần xuống Khi nạp nguyên liệu mới qua ởđầu vào qua bể nạp thì nguyên liệu đã phân huỷ sẽ tràn ra qua lối ra Kiểu củaKVIC được cải tiến ở một số nước bằng cách xây thêm vành đai chứa nước quanh

cổ bể phân hủy (gioăng nước) và úp nắp vào đây để phân hoàn toàn được che kín,không tiếp xúc với không khí, đảm bảo kỵ khí tốt hơn, tránh cho phân phải chịu tácđộng trực tiếp của mưa nắng

2.1.2 Ưu và nhược điểm chung:

a Ưu điểm:

1

2

34

1 Hố chứa nguyên liệu

2 Ống dẫn khí biogas

3 Hố thoát nước

4 Khoang chứa khí biogas

- Dễ đảm bảo kín khí do nắp được chế tạo riêng tại công xưởng bằng vật liệuthích hợp như thép hoặc xi măng lưới thép hay composit

- Dịch phân huỷ được giữ ở điều kiện kỵ khí tốt vì không tiếp xúc với khôngkhí, cả với thiết bị có kích thước lớn

- Áp suất khí không thay đổi khi sử dụng khí

- Biết được lượng khí hiện có một cách trực quan thông qua độ nổi của nắp

- Kỹ thuật xây trát quen thuộc

b Nhược điểm:

- Chi phí chế tạo và vận chuyển nắp cao, chiếm trên 30% tổng chi phí củacông trình

- Áp suất khí thấp, sử dụng để thắp sáng kém hiệu quả

- Nhiệt độ của dịch phân huỷ thay đổi nhiều theo nhiệt độ khí trời vì khí chứatrong nắp và không khí bên ngoài tiếp xúc trực tiếp với nắp kim loại truyềnnhiệt tốt

- Tuổi thọ nắp không dài, thường khoảng 10 năm với thép dày 2 mm

- Phải định kỳ sơn lại nắp thép và khung đỡ để chống han rỉ

- Chi phí cao là nhược điểm lớn nhất của kiểu nắp nổi Ngay ở Ấn Độ, kiểuKVIC đắt gần gấp 2 lần so với kiểu nắp cố định Deenhandhu và do vậyviệc ứng dụng kiểu KVIC đã giảm dần

2.2 Loại thiết bị nắp cố định:

2.2.1 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động:

Hình 2-2: Cấu tạo thiết bị khí sinh học nắp cố định

Loại này đã được phát triển đầu tiên ở Trung Quốc Bộ phận chứa khí và bểphân huỷ được gắn liền với nhau thành một bể kín Khí sinh ra được tích lại ở phíatrên sẽ tạo ra áp suất nén xuống mặt dịch phân huỷ, đẩy một phần dịch phân huỷ

tràn lên bể điều áp được nối với lối ra Giữa bề mặt dịch phân huỷ trong bể và mặtthoáng ở ngoài không khí có một độ chênh nhất định, thể hiện áp suất khí trongthiết bị Khí tích lại càng nhiều thì độ chênh này càng lớn Khi lấy khí sử dụng, dịchphân huỷ từ bể điều áp lại dồn vào bể phân huỷ và đẩy khí ra ngoài.

2.2.2 Ưu nhược điểm chung:

a Ưu điểm:

- Giá thành hạ do không phải dùng nắp chứa khí đắt tiền

- Sử dụng vật liệu thông thường, dễ có ở địa phương

- Không cần tới công xưởng, thợ địa phương có thể xây dựng được

- Tiết kiệm được mặt bằng vì có thể đặt ngầm toàn bộ dưới mặt đất

- Được bảo ôn tốt do đặt ngầm nên nhiệt độ ổn định, ít thay đổi theo nhiệt độkhông khí, có thể hoạt động cả trong điều kiện thời tiết mùa đông giá lạnhkhi nhiệt độ ngoài trời xuống dưới 100C

- Ít đòi hỏi phải bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế vì không có bộ phận chuyểnđộng, không có bộ phận bị ăn mòn, han rỉ

- Tuổi thọ dài (trên 20 năm)

- Tạo được áp suất khí cao nên dùng khí để đun nấu và thắp sáng bằng đènmạng cho hiệu suất cao hơn so với loại nắp nổi và loại túi

b Nhược điểm:

- Phải có thêm bộ phận điều áp

- Đòi hỏi kỹ thuật xây dựng cao hơn để đảm bảo giữ kín khí

- Áp suất khí không ổn định trong quá trình sử dụng

- Điều kiện kỵ khí kém hơn vì dịch phân huỷ bị đẩy lên bể điều áp, tiếp xúcvới không khí và bị oxi hoà tan vào Khi dịch dồn trở lại bể phân huỷ sẽđem theo lượng oxi hoà tan này vào bể phân huỷ Nhược điểm này càngtrầm trọng đối với thiết bị cỡ lớn Trong trường hợp này bể điều áp có

bề mặt quá rộng (do phải hạn chế áp suất khí không quá lớn) nên điều kiện

kỵ khí càng kém Chính vì vậy loại nắp cố định thường ứng dụng cho côngtrình có thể tích phân huỷ khoảng 20 m3 trở xuống

2.3 Loại thiết bị kiểu túi chất dẻo:

2.3.1 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động:

Hình 2-3: Cấu tạo thiết bị khí sinh học kiểu túi chất dẻo

Chú thích: 1 Thiết bị khí sinh học; 2 Túi chứa nguyên liệu; 3 Cửa nạp nguyênliệu; 4 Cửa thoát nước; 5 Ống dẫn khí biogas

Loại thiết bị bằng túi chất dẻo đầu tiên đượcphát triển ở Đài Loan và chế tạobằng loại chất dẻo bùn đỏ (Red Mud Plastic - RMP) năm 1974 Có thể coi đây làbiến thể của loại nắp cố định Bể phân huỷ là một túi bằng chất dẻo hoặc cao su.Phần dưới là bể phân huỷ, còn phần trên là nơi chứa khí áp suất khí cần thiết có thểtạo ra được bằng cách đặt vật nặng lên phía trên túi, nhờ vậy không cần bể điều áp

2.3.2 Các loại túi chất dẻo thường dùng:

a Loại nilon polyethylene (PE):

 Ưu điểm:

- Có thể sản xuất hàng loạt nên dễ tiêu chuẩn hoá

- Giá thành hạ nên đầu tư ban đầu thấp

- Kỹ thuật lắp đặt đơn giản, nhanh chóng

- Vận hành đơn giản, ít tốn chi phí vận hành

- Sửa chữa dễ dàng không cần tay nghề cao

 Nhược điểm:

- Tốn diện tích mặt bằng

- Tuổi thọ ngắn, dễ hư hỏng (thủng, chuột dễ cắn)

- Độ an toàn thấp (nguy cơ hoả hoạn, ngạt)

- Nếu xây kè thành hố và đổ tấm đan đậy thì giá thành không thấp so vớithiết bị nắp cố định

- Khó lấy bỏ váng và lắng cặn Sau một thời gian (khoảng 3 năm) bể sẽđầy và phải thay túi

- Bảo ôn kém Với mùa đông lạnh giá, thiết bị hoạt động kém hiệu quả ápsuất thấp nên sử dụng khí hiệu suất thấp, khó dẫn khí đi xa

b Loại phủ bạt nhựa HDPE (High Density Polyethylene):

Các công nghệ biogas đã nêu trên chỉ phù hợp cho các cơ sở sản xuất, chănnuôi nhỏ và vừa với số lượng chất thải ít Ở các cơ sở sản xuất lớn, chăn nuôi tậptrung công nghiệp đã sử dụng túi nhựa dẽo HDPE làm phủ bạt để thu hồi biogas và

xử lý chất thải làm ô nhiễm môi trường Kết quả cho thấy thành công cao và cónhiều triển vọng cho các trang trại có hàng ngàn con gia súc, các nhà máy chế biến

có lượng nước thải hàng ngàn khối

 Ưu điểm:

- Bảo trì dễ

- Loại nhựa này có tuổi thọ và độ bền cao (10 – 15) năm

- Kỹ thuật lắp đặt đơn giản, nhanh chóng

- Đầu tư tốn kém nhưng giá thành tính trên đơn vị thể tích hố ga lại rất rẻ

- Sửa chữa dễ dàng không cần tay nghề cao

- Cung cấp lượng gas lớn phục vụ cho máy phát điện

 Nhược điểm:

- Đầu tư lớn

- Hiệu suất sinh gas kém

2.4 Loại thiết bị biogas cải tiến:

2.4.1 Dung tích bể và dung tích khí:

Bảng 2-1: Yêu cầu của bể biogas cải tiến

6 Số đầu lợn nuôi cần thiết để

cung cấp phân (đầu lợn)

Hình 2-4: Thiết bị khí sinh học cải tiến

- Bể Biogas cải tiến có thể tạo hình theo ý muốn

- Độ bền vật liêu cao, kết cấu chịu lực tốt, hạn chế tối đa tác động tại những nơi có điều kiện địa chất không tốt

- Hiện tượng sụt, lún, nứt của bể biogas truyền thống được khắc phục hoàn toàn

- Bể Biogas cải tiến có khả năng tự điều áp cao và tự phá váng tốt

- Trang bị bộ phận khử mùi loại bỏ phần lớn các khí sinh mùi hôi khó

chịu như H2S

- Thời gian sinh khí ngắn, chỉ sau 24 giờ

b Nhược điểm:

Chi phí đầu tư ban đầu lớn

2.5 Nhận xét chung về các loại thiết bị KSH:

Từ những phân tích về ưu, nhược điểm của từng loại đã nêu trên có thể rút ramột số nhận xét sau:

- Loại túi chất dẻo nói chung là rẻ nhất, dễ lắp đặt, nhưng tuổi thọ không bền,mức độ an toàn thấp

- Loại nắp cố định có nhiều ưu điểm nhưng chỉ thích hợp với qui mô gia đình

- Loại nắp nổi và loại có bộ phận tích khí tách riêng có giá thành cao nhưngthích hợp với cỡ lớn, qui mô trang trại

- Loại Biogas cải tiến có nhiều ưu điểm nổi bật tuy nhiên giá thành cao đòi hỏiđầu tư ban đầu lớn

- Về hình dạng, hầu hết các kiểu đều có dạng tròn xoay (trụ và cầu)

CHƯƠNG 3 : TÁC HẠI CỦA CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ THẢI ĐỘNG

CƠ ĐỐT TRONG Đặt vấn đề:

Khí thải động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng, diesel là nguồn gây ô nhiễm chính đối với bầu khí quyển đặc biệt là phương tiện giao thông vận tải người

ta ước tính khoảng 70-80% CO, HC 50-60% và NOx là 30% trong bầu khí quyển hiện nay là do khí thải của chúng gây ra Chính vì vậy từ những năm 1950, các quốcgia trên thế giới đã quan tâm đến vấn đề này Nhiều luật lệ đá đặt ra với mức độ nghiêm ngặt ngày một gia tăng để buộc các nhà chế tạo các phương tiện giao thông vận tải phải nghiên cứu, cải thiện động cơ nhằm hạn chế nồng độ các chất ô nhiễm trong khí thải Một số cải tiến, ý tưởng được đưa ra như sau:

Hiện đại hóa các hệ thống mới trên động cơ đốt trong: hệ thống phun nhiên liệu điều khiển đơn điểm, đa điểm… đã cho phép tối ưu hóa công suất của động cơ dẫn đến làm giảm mức độ phát sinh ô nhiễm thấp nhất

Vấn đề đặt ra là tìm kiếm các nguồn nhiên liệu mới, thay thế để chạy động

cơ góp phần làm giảm ô nhiễm từ khí thải của động cơ Một số thành quả đạt được:

- Sử dụng năng lượng điện mặt trời để chạy động cơ: tuy nhiên hiện nay giải pháp này ngoài trở ngại về ac-quy còn hạn chế về hiệu suất thu nănglượng của pin mặt trời

- Sử dụng nhiên liệu khí hóa lỏng (Liquefied Petrolium Gas, viết tắt LPG) được xem là nhiên liệu sạch cung cấp cho động cơ có cả những ưu điểm của nhiên liệu lỏng và nhiên liệu khí Tuy nhiên nguồn nhiên liệu này

có nguồn gốc từ dầu mỏ nên là nguồn nhiên liệu sẽ cạn kiệt trong tương lai, chi phí phụ thuộc vào thị trường như xăng dầu

- Sử dụng khí sinh học làm nhiên liệu, đây là nguồn nhiên liệu từ sự phân hủy các hợp chất hủy cơ ngoài các ưu điểm giống LPG, nó còn các ưu điểm khác như không bị cạn kiệt, sử dụng khí sinh học góp phần làm giảm hiệu ứng nhà kính

3.1 Quá trình cháy trong động cơ:

Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocarbure với không khí chỉ sinh raCO2, H2O và N2 Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một cách lí tưởngcũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lí hóa diễn ra trong quá tŕnhcháy nên trong khí xả động cơ đốt trong luôn có chứa một hàm lượng đáng kểnhững chất độc hại như oxide nitơ (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monoxydecarbon (CO), các hydrocarbure chưa cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng.Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả phụ thuộc vào loại động cơ và chế độ vậnhành Ở động cơ Diesel, nồng độ CO rất bé, chiếm tỉ lệ không đáng kể; nồng độ HCchỉ bằng khoảng 20% nồng độ HC của động cơ xăng còn nồng độ NOx của hai loạiđộng cơ có giá trị tương đương nhau Trái lại, bồ hóng là chất ô nhiễm quan trọngtrong khí xả động cơ Diesel, nhưng hàm lượng của nó không đáng kể

trong khí xả động cơ xăng

Hình 31:Biến thiên nồng độ các chất ô nhiễm

theo hệ số dư lượng không khí

Những tạp chất, đặc biệt là lưu huỳnh, và các chất phụ gia trong nhiên liệucũng có ảnh hưởng đến thành phần các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy Thôngthường xăng thương mại có chứa khoảng 600ppm lưu huỳnh Thành phần lưuhuỳnh có thể lên đến 0,5% đối với dầu Diesel Trong quá tŕnh cháy, lưu huỳnh bịoxy hoá thành SO2, sau đó một bộ phận SO2 bị oxy hoá tiếp thành SO3, chất có thểkết hợp với nước để tạo ra H2SO4 Một trong những thông số có tính tổng quát ảnhhưởng đến mức độ phát sinh ô nhiễm của động cơ là hệ số dư lượng không khí a

Hình 3-1: Biến thiên nồng độ ô nhiễm các chất theo hệ số dư lượng không

khí

Hình 3.1 trình bày một cách định tính sự phụ thuộc của nồng độ NO, CO và

HC trong khí xả theo a Động cơ đánh lửa cưỡng bức thường làm việc với hệ số dưlượng không khí a ≈ 1 Theo đồ thị này thì động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo cómức độ phát sinh ô nhiễm thấp hơn Tuy nhiên, nếu hỗn hợp quá nghèo thì tốc độcháy thấp, đôi lúc diễn ra tình trạng bỏ lửa và đó là những nguyên nhân làm giatăng nồng độ HC

Nhiệt độ cực đại của quá trình cháy cũng là một nhân tố quan trọng ảnhhưởng đến thành phần các chất ô nhiễm vì nó ảnh hưởng mạnh đến động học phảnứng, đặc biệt là các phản ứng tạo NOx và bồ hóng

Nói chung tất cả những thông số kết cấu hay vận hành nào của động cơ cótác động đến thành phần hỗn hợp và nhiệt độ cháy đều gây ảnh hưởng trực tiếp haygián tiếp đến sự hình thành các chất ô nhiễm trong khí xả

Trong thực tế cuộc sống, do hàm lượng các chất độc hại trong khí xả động

cơ đốt trong bé nên người sử dụng ít quan tâm tới sự nguy hiểm trước mắt do nó

gây ra Tuy nhiên sự phân tích các dữ liệu về sự thay đổi thành phần không khítrong những năm gần đây (bảng 3-1) đă cho thấy sự gia tăng rất đáng ngại của cácchất ô nhiễm Nếu không có những biện pháp hạn chế sự gia tăng này một cách kịpthời, những thế hệ tương lai sẽ phải đương đầu với một môi trường sống rất khắcnghiệt

Bảo vệ môi trường không phải chỉ là yêu cầu của từng nước, từng khu vực

mà nó có ý nghĩa trên phạm vi toàn cầu Tùy theo điều kiện của mỗi quốc gia, luật

lệ cũng như tiêu chuẩn về ô nhiễm môi trường được áp dụng ở những thời điểm vàvới mức độ khắt khe khác nhau

Ô nhiễm môi trường do động cơ phát ra được các nhà khoa học quan tâm từđầu thế kỉ 20 và nó bắt đầu thành luật ở một số nước vào những năm 50 Ở nước ta,luật bảo vệ môi trường có hiệu lực từ ngày 10-1-1994 và Chính phủ đă ban hànhNghị định số 175/CP ngày 18-10-1994 để hướng dẫn việc thi hành Luật bảo vệ môitrường

3.2 Ô nhiễm không khí:[40]

Cộng đồng châu Âu đưa ra khái niệm về ô nhiễm không khí vào năm 1967như sau: "Không khí gọi là ô nhiễm khi thành phần của nó bị thay đổi hay khi có sựhiện diện của những chất lạ gây ra những tác hại mà khoa học chứng minh đượchay gây ra sự khó chịu đối với con người" Theo định nghĩa đó thì:

- Các chất gây ô nhiễm có thể gây nguy hại đến tự nhiên và con người màkhoa học ở thời điểm đó nhận biết được hay chỉ đơn thuần gây ra sự khó chịu chẳnghạn như mùi hôi, màu sắc

- Danh sách các chất ô nhiễm cũng như giới hạn về nồng độ cho phép củachúng trong các nguồn phát thải có thể thay đổi theo thời gian

Đến nay, người ta đã xác định được các chất ô nhiễm trong không khí màphần lớn những chất đó có mặt trong khí xả của động cơ đốt trong Bảng 3.1 dướiđây cho thấy sự gia tăng nồng độ một cách đáng ngại của một số chất ô nhiễm trongbầu khí quyển:

Bảng 3-1: Sự gia tăng của các chất ô nhiễm trong khí quyển

Chất ô nhiễm Thời kỳ tiền công

phát thải CO, HC và NOx ở Nhật và ở Mĩ

Bảng 3-2: Tỉ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Nhật (tính theo %)

Quá trình cháy trong công nghiệp 0,0 26,4 31,3

Bảng 3-3: Tỉ lệ phát thải các chất ô nhiễm ở Mĩ (tính theo %)

3.3 Tác hại của các chất ô nhiễm trong khí xả động cơ:

3.3.1 Đối với sức khỏe con người:

a CO: Monoxyde carbon là sản phẩm khí không màu, không mùi, không vị,

sinh ra do sự ôxy hoá không hoàn toàn carbon trong nhiên liệu trong điều kiện thiếuoxygene

CO ngăn cản sự dịch chuyển của hồng cầu trong máu làm cho các bộ phậncủa cơ thể bị thiếu oxygene Nạn nhân bị tử vong khi 70% số hồng cầu bị khốngchế (khi nồng độ CO trong không khí lớn hơn 1000ppm) Ở nồng độ thấp hơn, COcũng có thể gây nguy hiểm lâu dài đối với con người: khi 20% hồng cầu bị khốngchế, nạn nhân bị nhức đầu, chóng mặt, buồn nôn và khi tỉ số này lên đến 50%, não

bộ con người bắt đầu bị ảnh hưởng mạnh

b NOx: NOx là họ các oxyde nitơ, trong đó NO chiếm đại bộ phận NOx

được hình thành do N2 tác dụng với O ở điều kiện nhiệt độ cao (vượt quá 1100°C).Monoxyde nitơ (x=1) không nguy hiểm mấy, nhưng nó là cơ sở để tạo ra dioxydenitơ (x=2) NO2 là chất khí màu hơi hồng, có mùi, khứu giác có thể phát hiện khinồng độ của nó trong không khí đạt khoảng 0,12ppm NO2 là chất khó hòa tan, do

đó nó có thể theo đường hô hấp đi sâu vào phổi gây viêm và làm hủy hoại các tế

bào của cơ quan hô hấp Nạn nhân bị mất ngủ, ho, khó thở Protoxyde nitơ N2O lànguồn tạo ra chất NO ở tầng đối lưu và tầng bình lưu nơi có oxi nguyên tử tạo ra dophản ứng quang hóa.

c Hydocarbure: Hydrocarbure (HC) có mặt trong khí thải do quá tŕnh cháy

không hoàn toàn khi hỗn hợp giàu, hoặc do hiện tượng cháy không b́nh thường.Chúng gây tác hại đến sức khỏe con người chủ yếu là do các hydrocarbure thơm

Từ lâu người ta đă xác định được vai trò của benzen trong căn bệnh ung thư máu(leucémie) khi nồng độ của nó lớn hơn 40ppm hoặc gây rối loạn hệ thần kinh khinồng độ lớn hơn 1g/m3, đôi khi nó là nguyên nhân gây các bệnh về gan

d SO2: Oxyde lưu huỳnh là một chất háu nước, vì vậy nó rất dễ hòa tan vào

nước mũi, bị oxy hóa thành H2SO4 và muối amonium rồi đi theo đường hô hấp vàosâu trong phổi Mặt khác, SO2 làm giảm khả năng đề kháng của cơ thể và làm tăngcường độ tác hại của các chất ô nhiễm khác đối với nạn nhân

e Bồ hóng: Bồ hóng là chất ô nhiễm đặc biệt quan trọng trong khí xả động

cơ Diesel Nó tồn tại dưới dạng những hạt rắn có đường kính trung bình khoảng0,3mm nên rất dễ xâm nhập sâu vào phổi Sự nguy hiểm của bồ hóng, ngoài việcgây trở ngại cho cơ quan hô hấp như bất kỳ một tạp chất cơ học nào khác có mặttrong không khí, nó còn là nguyên nhân gây ra bệnh ung thư do các hydrocarburethơm mạch vòng hấp thụ trên bề mặt của chúng trong quá trình hình thành

3.3.2 Đối với môi trường:

a Thay đổi nhiệt độ khí quyển:

Sự hiện diện của các chất ô nhiễm, đặc biệt là những chất khí gây hiệuứng nhà kính,trong không khí trước hết ảnh hưởng đến quá tŕnh cân bằng nhiệt của bầu khíquyển Trong số những chất khí gây hiệu ứng nhà kính, người ta quan tâm đến khícarbonic CO2 vì nó là thành phần chính trong sản phẩm cháy của nhiên liệu cóchứa thành phần carbon Sự gia tăng nhiệt độ bầu khí quyển do sự hiện diện của cácchất khí gây hiệu ứng nhà kính có thể được giải thích như sau:

Quả đất nhận năng lượng từ mặt trời và bức xạ lại ra không gian một phầnnhiệt lượng mà nó nhận được Phổ bức xạ nhiệt của mặt trời và vỏ trái đất trình bàytrên các hình 3-2 và hình 3-3 Bức xạ mặt trời đạt cực đại trong vùng

Hình 3-2: Bức xạ mặt trời Hình 3-3: Bức xạ vỏ trái đất

ánh sáng thấy được (có bước song trong khoảng 0,4-0,73mm) còn bức xạ cực đạicủa vỏ trái đất nằm trong vùng hồng ngoại (7-15mm).Các chất khí khác nhau có dảihấp thụ bức xạ khác nhau Do đó, thành phần các chất khí có mặt trong khí quyển

có ảnh hưởng đến sự trao đổi nhiệt giữa mặt trời, quả đất và không gian Carbonic

là chất khí có dải hấp thụ bức xạ cực đại ứng với bước sóng 15mm, vì vậy nó đượcxem như trong suốt đối với bức xạ mặt trời nhưng là chất hấp thụ quan trọng đốivới tia bức xạ hồng ngoại từ mặt đất Một phần nhiệt lượng do lớp khí CO2 giữ lại

sẽ bức xạ ngược lại về trái đất (hình 3-4) làm nóng thêm bầu khí quyển theo hiệuứng nhà kính

Với tốc độ gia tăng nồng độ khí carbonic trong bầu khí quyển như hiện nay,người ta dự đoán vào khoảng giữa thế kỉ 22, nồng độ khí carbonic có thể tăng lêngấp đôi Khi đó, theo dự tính của các nhà khoa học, sẽ xảy ra sự thay đổi quan trọngđối với sự cân bằng nhiệt trên quả đất:

- Nhiệt độ bầu khí quyển sẽ tăng lên từ 2 đến 3°C

- Một phần băng ở vùng Bắc cực và Nam cực sẽ tan làm tăng chiều cao mựcnước biển

- Làm thay đổi chế độ mưa gió và sa mạc hóa thêm bề mặt trái đất

b Ảnh hưởng đến sinh thái:

Sự gia tăng của NOx, đặc biệt là protoxide nitơ N2O có nguy cơ làm gia tăng

sự hủy hoại lớp ozone ở thượng tầng khí quyển, lớp khí cần thiết để lọc tia cực tímphát xạ từ mặt trời Tia cực tím gây ung thư da và gây đột biến sinh học, đặc biệt làđột biến sinh ra các vi trùng có khả năng làm lây lan các bệnh lạ dẫn tới hủy hoại sựsống của mọi sinh vật trên trái đất giống như điều kiện hiện nay trên Sao Hỏa

Mặt khác, các chất khí có tính acide như SO2, NO2, bị oxy hóa thành acidesulfuric, acide nitric hòa tan trong mưa, trong tuyết, trong sương mù làm hủy hoạithảm thực vật trên mặt đất (mưa acide) và gây ăn mòn các công trình kim loại